金属ナノホールアレイの表面プラズモン効果によって達成された量子ドット赤外光検出器の高い光子吸収率

背景

半導体赤外線光検出器は、赤外線を検出するために使用でき、科学研究、デジタルイメージング、光通信、および軍事分野の分野で有望な優れたアプリケーションを持っています。これまで、量子ドット赤外光検出器（QDIP）は、その卓越した光応答特性とデバイスの小型化の傾向により、近年ますます注目を集めています[1,2,3]。科学者は何十年にもわたる継続的な努力により、高性能QDIPを取得するための技術の開発に大きな進歩を遂げてきましたが、デバイスの小型化[4]や実際の要求に対応するには、さらに改善する必要があります。量子ドットベースの活性領域での金属格子の結合は、プラズモン増強の局所光結合によって高い光吸収係数を生み出すことができるQDIPの性能を増強するための効果的なアプローチと見なすことができることが指摘されています[5、6]。効果。

報告によると、QDIPの性能を向上させるために使用される金属格子構造には主に2種類あります。 1つはメタルホールアレイ構造で、もう1つはノーホールメタルアレイ構造です。より具体的には、金属正孔アレイ構造の応用に関して、Changのグループは、2007年に金属正孔周期アレイをQDIPの量子ドット層と組み合わせ、光検出器の超常光透過をもたらしました[7]。 2009年に、リー等。金属フォトニック結晶を3.6μm周期のホールアレイ（厚さ100nm）と統合することによる高検出QDIPの方法を提案しました[8]。研究結果は、この方法が波長11.3μmでの光検出器のピーク応答を実現し、金属フォトニック結晶を使用しない場合よりも最大30倍高い検出率を実現できることを示しています。次に、彼らは、入射光に対するQDIP依存性の性能と、焦点面アレイでのそれらの応用について議論しました[9、10]。同様の性能向上は、ホールメタルアレイ結合格子を使用することによるレポートでも見つけることができます[11、12、13、14]。ノーホールメタルアレイ構造も提案されています。 2011年、Huangと彼の同僚は、自己組織化プラズモン銀ナノ粒子層を使用してQDIPの広いスペクトル応答を強化し、2.4〜3.3倍の強化を実現しました[15]。 2014年、Chenのグループは、Auナノ粒子の近接場効果によって光検出器の性能を向上させることができると報告しました[16]。 2015年、DingのグループとWangのグループは、それぞれ、分散型プラハ反射器の導波管結合構造と単一共振空洞を提案しました[17、18]。上記の構造に加えて、他の金属構造、たとえばアンテナストリップアレイやナノディスクアレイも議論され、分析されました[19、20、21]。

ただし、これらのホールアレイなしの方法は、QDIPの光応答においても効果を高めることができますが、コスト効率が高くシンプルな方法による製造プロセスは、一般的なホールアレイ構造と比較して依然として課題です。典型的なホールアレイ構造の場合、ホールアレイのサイズはマイクロスケールで一般的です。光応答の向上は、マイクロスケールの金属穴内の空気とその下の半導体との間の界面でのプラズモン効果によるものです。金属正孔アレイのサイズは、対応する増強効果を備えた高性能QDIPを実現できるかどうかにかかわらず、ナノスケールQDIPの量子ドットのサイズに一致する予想されるナノスケールにさらに縮小することができます。同時に、これらの現象の根底にあるメカニズムを解明するためには、さらなる理論的研究が必要です。本研究では、現象を明確にするために、ナノスケールの金属ホールアレイ構造を備えたQDIPを設計し、従来のマイクロスケールのQDIPと比較して、光の透過状態と電界の分布を分析することにより、増強効果を説明します。 。結果は、ナノスケールの金属アレイ構造を備えたQDIPが、光子と量子ドットの相互作用と効率的な光結合により、最大86.47％の光子吸収率を持つことができることを示しています。これにより、ナノサイズの赤外線の設計と最適化への扉が開かれる可能性があります。光検出器。

ナノホールアレイを使用したQDIPの設計モデル

一般に、QDIPは量子ドット領域と電極で構成され、量子ドット領域は周期量子ドット層とバリア層で構成されます。理想的な条件下（電極と基板の影響を無視）では、QDIP全体の光透過率は量子ドット領域の光透過率と等しいと見なすことができます。したがって、電極と基板は、QDIPの設計に表示される必要はありません。具体的には、図1aに5周期量子ドット複合層からなる代表的なQDIPの設計を示し、これらの複合層はA1GaAsバリア層と周期量子ドットを含むGaAs層で構成されています（図1a）。 1b）。現在の構成では、量子ドットナノ粒子は、多くの原子と分子で形成された量子ドットの定義に沿った立方体の形状を想定しており、長さ40 nm、幅40 nm、7〜9高さnm。量子ドットの同様のモデルは、報告された文献[22]にも見られます。 QDIPの面積は1000nm×1000nmに設定され、AlGaAsバリア層の厚さは60nmです。 Auとして選択された金属ナノホールアレイは、図2に示す改良型QDIPと呼ばれる従来のQDIPの従来の量子ドットナノ構造層に配置されます。ホールの半径は50〜70nmの範囲で調整できます。 。量子ドットを構成するために使用される材料は、特定の屈折率を有するバルク材料と単純に見なすことはできないことに留意されたい。図3は、Edward D. Palik [23]の方法を使用して量子ドットを形成するために使用されたGaAs材料の電気分散特性を示しています。図中、青色の曲線と赤色の曲線はGaAs εの誘電率を表しています。 ^' およびε ^″ 、 それぞれ。図4aおよびbは、GaAs、Al _0.3 の電気分散特性を示しています。 Ga _0.7 それぞれ素材として、ゴールド素材として。

a 典型的な量子ドット赤外光検出器の構造モデル図。 b 5周期の量子ドット複合層を備えた活性領域における量子ドットの分布。これらの複合層は、A1GaAsバリア層とGaAs層で構成されています

改善されたQDIPのための周期的な金属ナノホールアレイ構造を備えた量子ドット活性領域

GaAs材料の分散関係

a AlGaAs材料の分散関係。 b 金材料の分散関係

YEEセルに基づく計算方法

設計された上記の物理モデルに基づいて、有限要素積分の方法を使用して、光伝送の状態を計算します。まず、YEEセルに基づいて、上記のモデルを満たすマクスウェル積分方程式は次のように記述されます。

私たちの計算では、式。 1〜4は離散化されています。電界ノードと磁界ノードの両方の分布は、「Yeeセル」形式として選択されます。式を使用して。一例として、光検出器の電磁モデルは「Yeeセル」の蓄積と見なすことができます。図5に示すように、任意のセルの4辺は式（1）に対応します。 1、電界ベクトル e を表します _i 、 e _j 、 e _k 、および e _l 。法線方向にあるベクトルは磁場ベクトル b です。 _n 、したがって、前の式。 1は次の式のように書き直すことができます。 5.

「YEEセル」の概略図

同様の方法を採用すると、光検出器全体の電磁モデルの方程式は次のように書くことができます。

式2は、次のように書き直すこともできます。

同様の方法によると、他の式 2〜4は次のように離散化できます：

離散化された方程式を組み合わせる。 7–10の境界条件では、電場と磁場は反復法で解くことができます。この研究では、金属ホールアレイ構造が従来のQDIPの上部に配置されているため、この構造はブラッグ散乱による光結合を促進することができます。対応する光通信がさらに計算されます。これについては、透過、反射、および吸収の条件が与えられたときに次のセクションで説明します。さらに、吸収と量子効率の関係に基づいて、QDIPの応答性を与えることができます。具体的には、非常に重要な性能パラメータとしてのQDIPの応答性は、光電流と入射光のパワーの比によって計算できることはよく知られています[24]。したがって、次のように書くことができます：

ここで私 _写真 QDIPの光電流 P は入射光のパワー、 g は光伝導ゲイン、 e 電子の電荷 h プランク定数、 v は入射光の周波数であり、η は量子効率です。

量子効率は、電子正孔の数と入射光の数の比として定義できます。これは、光検出器の吸収に強く依存します。実際には、入射光は吸収領域を直接照らすため、上部接触層または金属層の反射のために完全に吸収することはできません[25、26]。したがって、QDIPの量子効率は次のように書くことができます。

ここでα ₀ W QDIPの吸収係数αです。 ₀ d は入射接触層の吸収係数 r それぞれ、入射層の反射です。

QDIPでは、光伝導ゲインは、拡張状態から量子ドットに戻る電子の再結合時間の比率として定義できますτ _人生 デバイスを通過する電子の通過時間τ _合計 、次のように表示できます：

そして、量子ドット複合層の1周期にわたる通過時間が、拡張状態から量子ドットに戻る再結合時間よりもかなり短いという条件下で[22、27] _、 ゲインは次のように書くことができます：

ここで K 数は量子ドット複合層、 L は量子ドット層間の距離、μ 電子の移動度、 E はQDIP全体の電界密度 v _s は電子の飽和速度、 h _QD は量子ドットの高さ、∑ _QD は各量子ドット層の量子ドット密度 a _QD は量子ドットの横方向のサイズであり、 V _t それぞれ、電子の捕獲率です。

提出された式（12）と式（14）式に（11）、QDIPの応答性を取得できます。これは次のように表示できます：

結果と考察

上記のQDIPの設計に基づいて、入射赤外光が z のこれらのQDIPの上部に当たった場合 -軸方向、光検出器は入射光の反射と透過を持ちます。光検出器の吸収率は、入射光のこれらの光透過条件を研究することによって決定できます。これは、光検出器の性能を評価する上で非常に重要な役割を果たすことができます。図6は、金属アレイなしの光検出器（従来​​のQDIP）と金属アレイありの光検出器（改良されたQDIP）の反射条件を示しています。図6の2つの曲線と比較すると、250〜260 Thzおよび279〜293 Thzの周波数範囲の個々の値に加えて、従来のQDIPの反射係数値は改良されたQDIPの反射係数値よりもわずかに小さいことがわかります。 。具体的には、周波数219 Thzでの値を例にとると、従来のQDIPの反射係数値は-3.91 dBですが、改良されたQDIPは-1.31dBと低くなっています。上記のように、改良されたQDIPは従来のQDIPよりもわずかに高い値を持つ可能性がありますが、改良されたQDIPの最小吸収は従来のQDIPよりもかなり小さいことがわかります。具体的には、改良されたQDIPの最小吸収は255.10Thzの周波数で-16.17dBですが、従来のQDIPの値は254.86Thzで-13.42dBに等しくなります。改良されたQDIPの低い反射係数は、赤外光用の半導体よりも金属の吸収係数が高いことに起因する可能性があります。吸収は、反射と透過の一般的な寄与に基づいて計算できます。図7aは、従来のQDIPの透過係数を示しており、青色でマークされた値は、200〜340Thzの合計周波数範囲内で改良されたQDIPの透過係数よりも明らかに大きくなっています。たとえば、298 Thzの周波数では、改良されたQDIPの透過係数はわずか-10.83 dBであり、従来のQDIPの透過係数である-4.15dBの1.60分の1です。透過、反射、吸収の競合関係により、透過係数の低下は、入射光の他の損失を無視した状態での吸収の増加につながります。

金属アレイなしの従来のQDIP（青い曲線）と金属ナノホールアレイありの改良されたQDIP（赤い曲線）の反射係数

透過係数（ a ）および吸収係数（ b ）従来のQDIPと改良されたQDIPのそれぞれ

図7aの透過状況と図6の反射状況を組み合わせて、QDIPの吸収率を計算できます。これを図7bに示します。この図で、赤い曲線（60 nm改善とマーク）は、金属構造を使用した改善されたQDIPの吸収率を示し、もう1つの青い曲線は、金属穴構造を使用しない従来のQDIP（60 nm従来とマーク）を示しています。 2つの曲線を比較すると、改善されたQDIPの吸収率は従来のQDIPの吸収率よりも高いことがわかります。改良されたQDIPの最大吸収率は286Thzの周波数で0.782であり、これは257Thzの周波数でわずか0.458である従来のQDIPの1.71倍です。改善されたQDIPの吸収率が増加する理由は次のように説明できます。金属ナノホールアレイ構造は、従来のQDIPの上部に導入され、そのような構成は、表面プラズモン共鳴効果に有利に働き、入射光の局所結合効果をもたらします。さらに、局所結合効果により、より多くの入射光が下の半導体量子ドット層に入る可能性があります。これにより、入射光の吸収が高くなり、より大きな光電流とより高い量子効率でより優れた光電特性が得られます。

改良されたQDIPでプラズモン増強効果を実現する方法をさらに明確にするために、改良されたQDIPの吸収率に対するさまざまな金属ナノホール構造の影響も研究します。図8aに示すように、金属ナノホールの半径が異なる改良されたQDIPの吸収曲線は、それぞれ黒（50 nm）、緑（55 nm）、赤（60 nm）、青（65 nm）の曲線に対応します。改善されたQDIPの吸収率の値は、さまざまなナノホールの下でのさまざまな変化傾向を示しています。改善されたQDIPの吸収率のピーク値は、それぞれ0.744（289 Thzでの黒い曲線）、0.721（291 Thzでの緑の曲線）、0.782（286 Thzでの赤い曲線）、および0.707（288 Thzでの青い曲線）です。明らかに、これらの光検出器の中で、穴の半径が60 nmの改良されたQDIPは、最高の吸収性能を持つことができます。同時に、金属穴層の厚さも吸収率の影響を与える可能性があることはよく知られています。図8bに示すように、改良されたQDIPの金属層の厚さが10から40 nmに変更されると、吸収率のピーク値はそれに応じて0.667（10nmの厚さの263Thz）から0.782（286 20 nmの場合はThz）、0.662（30nmの場合は293Thz）、および0.590（40nmの場合は262Thz）。これらのピーク値の中で、20nmの厚さの金属ナノホール層が最も高い吸収率値を持つ可能性があります。

改善されたQDIPの吸収率（ a ）金属ナノホールの半径と金属の厚さが異なる（ b）

上記の現象を明らかにするために、我々はさらに、286Thzの金属穴の異なる半径で改良されたQDIPの上面での電界の分布条件を研究します。図9は、50〜65nmの範囲の金属穴のさまざまな半径での電界分布を示しています。図9aの4つの写真を比較すると、穴の半径が50 nm（図9a）および55 nm（図9b）のQDIPは、対応する電界分布により、電界の増強が比較的弱い可能性があることが明らかです。図9aとbは、穴とその隣接領域を含む全領域に存在するため、それらの電界局所結合効果は無視できますが、高電界の電界の局所結合領域は、図9で観察できます。 .9cおよびd。表面プラズモン結合効果の結果として、リングの形状をした図9cおよびdの穴の周りの強い電界分布は、金属穴と金属穴の空気との間の界面に位置する可能性があります。図9cおよびdの電界分布と比較すると、図9cの電界結合効果は、赤、緑、および青の混合であるマークされた色によって、図9dの電界結合効果よりも強くなっています。この点で、赤い色は最も強いフィールドを表し、青い色は最も弱いフィールドを表します。上記の分析に基づいて、半径60 nmの金属ナノホールは、表面プラズモンによる増強電場効果を生成します。増強効果をさらに明確にするために、 xz 上の電界の分布 -セクション y にある図10aに示すように、私たちの研究では286Thzの周波数で最適化されたQDIPの最大吸収に対応する平面 =0（ xz のフィールドに対応 -飛行機）。図では、 z の方向から -軸では、増強された電界分布は、赤色でマークされた隣接する金属穴の間の領域にあり、弱い電界は、青色でマークされた金属穴の領域にあります。電界分布は、QDIPの吸収の向上を直接示しています。吸収率の増加につながるのは増強結合効果であり、さらに改善されたQDIPの高い量子効率につながります。もちろん、光の電磁的性質の性質に従って磁場分布を分析することによっても、同じ結論を引き出すことができます。磁界分布の議論は電界分布の議論と同じであるため、この研究で議論する必要はありません。

金属ナノホールの半径が異なる改良されたQDIPの電界分布： a r =50 nm、 b r =55 nm、 c r =60 nm、および d r =65 nm

a x -最適化されたQDIPの方向電界。 b 改良されたQDIPの電界分極。 c 改良されたQDIPの磁場分極

さらに、上記のように、増強効果は表面プラズモンからのものであり、励起された表面プラズモン波のモードがさらに決定される。図10aおよびbは、電界と磁界の結果を示しています。図の図10bは、 yz 上の電界の分極分布を示しています。 -飛行機。電界は yz に垂直であることがわかります。 -平面、つまり、電場は E を持つことができません _z 成分。図10cは、磁場の分極分布を示しています。磁場は yz に平行であることがわかります。 -平面、つまり、入射光の伝搬方向に z のHz成分があります。 -方向。したがって、私たちの研究では、励起された表面プラズモン波はTEモードです。さらに、表面プラズモンを励起するために使用される位置を明確にするために、金属正孔界面付近の磁場の分布を図10cの上部に示します。隣接する金属穴間の位置の磁場は、金属穴の磁場よりも強いことがわかります。また、図10aに示した電界によると、隣接する金属穴間の位置に増強電界が集中していることも証明できます。したがって、表面プラズモン効果は、隣接する金属穴の間の位置にある金属と半導体の間の表面からのものである可能性があるという結論を引き出すことができます。もちろん、吸収の増強は表面プラズモンだけでなく、金属層の反射の増強によるものであり、入射光はQDIPに沿って照射されるため、入射光の二次吸収につながることは注目に値します。 z軸。

金属層に関連するパラメータもQDIPの性能に大きな影響を与える可能性があることはよく知られています。最適なパラメータを決定するために、バリア層と量子ドット層の厚さをさらに分析し、最適化された金属層の厚さ（20 nm）と金属穴の半径（60 nm）の条件下で議論します。図11aは、70〜85nmの範囲のバリア層の厚さが異なる光検出器の吸収率の変化傾向を示しています。画像から、これらの吸収率曲線は同様の変化傾向を示しています。バリア層の厚さが70〜85 nmの範囲で変化する場合、改善されたQDIPの対応する最大吸収値は0.7581（70 nm、322.78 Thz）、0.7763（75 nm、304.84 Thz）、0.8552（80 nm、292.75 Thz）、および0.8346（85 nm、284.17）。これらの最大吸収率の値と比較すると、80 nmの厚さのバリア層は、改善されたQDIPに対して最高の吸収性能を発揮できることがわかります。上記の最適化された値で他のパラメータを修正し、量子ドット層の厚さが改善されたQDIPの吸収性能に及ぼす影響をさらに調査し、対応する曲線を図11bに示します。この図から、層の厚さが7 nmの改良されたQDIPの場合、赤い曲線の最大吸収率は295.48 Thzの周波数で0.8647であることがわかります。これは、光検出器が最適な遷移状態を持つことができることを示しています。

a の厚さが異なる改良されたQDIPの吸収率 量子ドット層と b バリア層

上記の議論に基づいて、QDIPに関連するパラメータがデバイスの性能に影響を与える可能性があるだけでなく、量子ドット層とバリア層の厚さもデバイスの性能を決定する可能性があることは明らかです。この研究では、理論計算結果によると、改善されたQDIPの最適化されたパラメータは、金属層の厚さが20 nm、金属の穴の半径が60 nm、量子ドットの層の厚さが7 nm、バリア層で与えられます。 80nmの厚さ。最適な光検出器の吸収率は0.8647まで高くなる可能性があります。さらに、図12に示すように、従来のQDIPと最適化されたQDIPを比較すると、周波数範囲222.91〜262.18 Thzの値に加えて、赤い曲線の吸収率の値は青い曲線の吸収率の値よりもかなり高くなっています。赤い曲線の最大吸収率は、周波数295.48 Thzで0.8647に等しく、青い曲線の最大吸収率の1.89倍です（これは、図7bで「60nm従来型」とマークされた前の曲線と同じです。 257 Thzの周波数での金属穴アレイなしのQDIP）。最大吸収率ピークの周波数シフトは、主に改良された光検出器の厚さの変化に起因します。さらに、QDIPの最適化されたパラメータに基づいて、量子ドット層とバリア層の厚さ、量子効率値、および光検出器の応答性が計算されます。

バリア層の厚さが80nmの従来のQDIPの青色の曲線と改善されたQDIPの赤色の曲線の吸収率

QDIPの量子効率と応答性

図12の吸収率の計算結果に基づいて、上記の量子効率とQDIPの応答性の表現と組み合わせて、QDIPの量子効率と応答性を計算することができます。対応する結果は次のとおりです。図13aおよびbにプロットされています。図13aは、QDIPの量子効率を示しています。この図では、青い点線の曲線は金属アレイなしのQDIPの量子効率を表し、もう1つの赤い完全な曲線は金属アレイありの最適化されたQDIPの量子効率を表しています。 2つの曲線を比較すると、最適化されたQDIPの最大量子効率は295.87 Thzの周波数で0.2961であり、周波数で0.2458に等しい従来のQDIPの1.205倍であることがわかります。 256.48Thzの。増加傾向は、金属ホールアレイの導入と量子ドット赤外光検出器の最適化から生じる図12に示されている吸収率と同様です。吸収率の増加傾向に基づいて、QDIPの応答性も同様の増加傾向を示していることがわかります。具体的には、図13bに、最適化されたQDIPと従来のQDIPのそれぞれの応答性を示します。この図では、赤い曲線は従来のQDIPの応答性を表しており、青い曲線は金属穴層を備えた最適化されたQDIPの応答性を表しています。図13aの分析と同様に、応答性は295.87Thzの周波数で0.0326mA / Wであり、256.48 Thz（0.0152）の周波数での従来のQDIPの応答性より0.0174大きくなっています。応答性の向上は、229.57〜254.41 Thzの範囲の他の周波数帯域で証明できます。これは、金属ホールアレイの導入と量子ドット領域の最適化による光検出器の性能の向上を明らかに示しています。 。さらに、強化の理由は、上記の量子ドット領域の電界分布を分析することで詳細に議論されました。

a QDIPの量子効率。 b QDIPの責任

電極と基板の影響

上で研究されたのは、すべて電極と基板の影響を無視した状態です。実際、電極と基板は性能に一定の影響を与える可能性がありますが、金属層を使用した最適化されたQDIPの性能の向上効果の説明には影響しません。これは、電極と基板が、金属層がある場合とない場合のQDIPの吸収にほぼ同じ影響を与える可能性があるためです。この問題を適切に説明するために、基板と電極から生じる影響、および量子効率、応答性などを考慮して、QDIPの吸収を再計算しました。具体的には、電極は一般に量子ドットの吸収領域の両端に設計されていることはよく知られているため、図14aに示すように、一方は従来のQDIPの上部にあり、もう一方は従来のQDIPの上部にあります。 QDIPの吸収領域の下端にあります。つまり、基板の上部にあり、量子ドット吸収領域にバイアス電圧を供給し、上記の電極と一緒に電流を送信することができます。ここで、電極として使用された私たちの研究では、最適化されたQDIPに金属リングの代わりに金属穴アレイがあることに言及する価値があります。もう一方の電極は、従来のQDIPの電極と同様です。上記の設計に基づいて、電極の具体的な分布が図14aで明確に計算されます。図14aと同様に、図14bでは、電極の材料は金として選択され、基板はAlGaAsとして選択されています。それらの厚さはそれぞれ20nmと300nmです。

a 電極と基板を備えた従来のQDIP。 b 電極と基板で最適化されたQDIP

上記のQDIPの構造への電極と基板の導入に基づいて、QDIPの吸収を計算し、対応する結果を電極と基板のないQDIPと比較します。図15は、QDIPの吸収率に対する電極と基板の影響を示しています。図中の青色の曲線とピンク色の曲線は、それぞれ電極と基板を使用しない従来のQDIPの吸収率と、電極と基板を使用しない最適化されたQDIPの吸収率です。赤い破線の曲線は、電極と基板を使用した最適化されたQDIPの吸収率を表しています。その最大吸収は、304.35 Thzの周波数で0.7620であり、電極と基板を使用しない最適化されたQDIPの吸収よりもわずか0.1027小さくなっています。吸収率の低下は、電極と基板の損失によって低下します。これは、電極と基板を使用した従来のQDIPの吸収率の緑色の曲線と同じです。従来のQDIPおよび電極と基板を使用した最適化されたQDIPの吸収率と比較すると、電極と基板を使用した最適化されたQDIPの吸収率は非常に明確であり、図12の最適化されたQDIPと同じです。電極と基板によって吸収率が低下する可能性がありますが、最適化されたQDIPの総吸収率は、裸のQDIPに比べて向上する可能性があります。したがって、影響が非常に小さいため、低下は無視できます。金属穴アレイを使用する場合の最適化されたQDIPの強化の説明。

電極と基板によるQDIPの吸収

さらに、電極と基板を使用したQDIPの吸収率の変化傾向は、前の曲線（青い曲線とピンクの曲線に対応）と同じにはなり得ないことがわかります。それらはより複雑で、多くのピーク値があります。この現象の原因は次のように説明できます。まず第一に、電極と基板を追加すると、多少の損失が発生し、蓄積された加熱効果やその他の悪影響要因によって周波数がシフトする可能性があります。第二に、電極の材料が金属として選択されるため、電極と基板を使用した最適化されたQDIPでは、反射と表面プラズモンが向上する可能性があります。図15に示すように、2つの理由は一般的に吸収率の向上に有利に働きます。

結論

結論として、従来のQDIP性能は、ナノスケールの金属ナノホールアレイを追加することで大幅に改善でき、QDIPを改善するための性能の強化されたメカニズムは、電界の反射、透過、吸収、および分布を分析することによって説明されます。結果は、改良されたQDIPが従来のQDIPよりも高い吸収率を持つことができることを示すだけでなく、量子ドット複合層とともに金属ナノホールアレイに関連する改良されたQDIPのパラメータがそれらの性能に大きく影響する可能性があることも示しています。理論計算によると、改良された光検出器の最適化されたパラメータは、金属層の厚さが20 nm、金属の穴の半径が60 nm、量子ドット層の厚さが7 nm、バリア層の厚さが80nmです。最適化された光検出器の最大吸収率の値は、約300 Thzの周波数で86.47％に達する可能性があります。吸収率の大幅な向上は、表面プラズモンを介した電界効果の向上によって引き起こされる局所結合効果に起因する可能性があり、さらに、それぞれ0.2961および0.0326 mA / Wの高い量子効率と応答性につながります。現在の貢献は、高性能のナノスケールQDIPを開発するための特定の理論的ガイダンスを提供できると考えられています。

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

QDIP：

量子ドット赤外光検出器

図

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式

方程式